Un sistema de información geográfica (también conocido con
los acrónimos SIG en español o GIS en inglés) es un conjunto de herramientas
que integra y relaciona diversos componentes (usuarios, hardware, software,
procesos) que permiten la organización, almacenamiento, manipulación, análisis
y modelización de grandes cantidades de datos procedentes del mundo real que
están vinculados a una referencia espacial, facilitando la incorporación de
aspectos sociales-culturales, económicos y ambientales que conducen a la toma
de decisiones de una manera más eficaz.
En el sentido más estricto, es cualquier sistema de
información capaz de integrar, almacenar, editar, analizar, compartir y mostrar
la información geográficamente referenciada. En un sentido más genérico, los
SIG son herramientas que permiten a los usuarios crear consultas interactivas,
analizar la información espacial, editar datos, mapas y presentar los
resultados de todas estas operaciones.
La tecnología de los SIG puede ser utilizada para
investigaciones científicas, la gestión de los recursos, la gestión de activos,
la arqueología, la evaluación del impacto ambiental, la planificación urbana,
la cartografía, la sociología, la geografía histórica, el marketing, la
logística por nombrar unos pocos. Por ejemplo, un SIG podría permitir a los
grupos de emergencia calcular fácilmente los tiempos de respuesta en caso de un
desastre natural, o encontrar los humedales que necesitan protección contra la
contaminación, o pueden ser utilizados por una empresa para ubicar un nuevo
negocio y aprovechar las ventajas de una zona de mercado con escasa
competencia.
Funcionamiento de un SIG
El SIG funciona como una base de datos con información
geográfica (datos alfanuméricos) que se encuentra asociada por un identificador
común a los objetos gráficos de los mapas digitales. De esta forma, señalando un
objeto se conocen sus atributos e, inversamente, preguntando por un registro de
la base de datos se puede saber su localización en la cartografía.
La razón fundamental para utilizar un SIG es la gestión de
información espacial. El sistema permite separar la información en diferentes
capas temáticas y las almacena independientemente, permitiendo trabajar con
ellas de manera rápida y sencilla, facilitando al profesional la posibilidad de
relacionar la información existente a través de la topología geoespacial de los
objetos, con el fin de generar otra nueva que no podríamos obtener de otra
forma.
Las principales cuestiones que puede resolver un sistema de
información geográfica, ordenadas de menor a mayor complejidad, son:
1. Localización:
preguntar por las características de un lugar concreto.
2. Condición:
el cumplimiento o no de unas condiciones impuestas al sistema.
3. Tendencia:
comparación entre situaciones temporales o espaciales distintas de alguna
característica.
4. Rutas:
cálculo de rutas óptimas entre dos o más puntos.
5. Pautas:
detección de pautas espaciales.
6. Modelos:
generación de modelos a partir de fenómenos o actuaciones simuladas.
Por ser tan versátiles, el campo de aplicación de los
sistemas de información geográfica es muy amplio, pudiendo utilizarse en la
mayoría de las actividades con un componente espacial. La profunda revolución
que han provocado las nuevas tecnologías ha incidido de manera decisiva en su
evolución.
Historia de su desarrollo
Hace unos 15.000 años1 en las paredes de las cuevas de
Lascaux (Francia) los hombres de Cro-Magnon pintaban en las paredes los
animales que cazaban, asociando estos dibujos con trazas lineales que, se cree,
cuadraban con las rutas de migración de esas especies.2 Si bien este ejemplo es
simplista en comparación con las tecnologías modernas, estos antecedentes
tempranos imitan a dos elementos de los sistemas de información geográfica
modernos: una imagen asociada con un atributo de información.3
Mapa original del Dr. John Snow. Los puntos son casos de
cólera durante la epidemia en Londres de 1854. Las cruces representan los pozos
de agua de los que bebían los enfermos.
En 1854 el pionero de la epidemiología, el Dr. John Snow,
proporcionaría otro clásico ejemplo de este concepto cuando cartografió, en un
ya famoso mapa, la incidencia de los casos de cólera en el distrito de Soho en
Londres.4 Este protoSIG, uno de los ejemplos más tempranos del método
geográfico,5 permitió a Snow localizar con precisión un pozo de agua
contaminado como la fuente causante del brote.
Si bien la cartografía topográfica y temática ya existía
previamente, el mapa de John Snow fue el único hasta el momento, que,
utilizando métodos cartográficos, no solo representaba la realidad, sino que
por primera vez analizaba conjuntos de fenómenos geográficos dependientes.
El comienzo del siglo XX vio el desarrollo de la "foto
litografía" donde los mapas eran separados en capas. El avance del
hardware impulsado por la investigación en armamento nuclear daría lugar, a
comienzos de los años 60, al desarrollo de aplicaciones cartográficas para
computadores de propósito general.6
El año 1962 vio la primera utilización real de los SIG en el
mundo, concretamente en Ottawa (Ontario, Canadá) y a cargo del Departamento
Federal de Silvicultura y Desarrollo Rural. Desarrollado por Roger Tomlinson,
el llamado Sistema de información geográfica de Canadá (Canadian Geographic
Information System, CGIS) fue utilizado para almacenar, analizar y manipular
datos recogidos para el Inventario de Tierras Canadá (Canada Land Inventory,
CLI) - una iniciativa orientada a la gestión de los vastos recursos naturales
del país con información cartográfica relativa a tipos y usos del suelo,
agricultura, espacios de recreo, vida silvestre, aves acuáticas y silvicultura,
todo ello a una escala de 1:50.000. Se añadió, así mismo, un factor de
clasificación para permitir el análisis de la información.
El Sistema de información geográfica de Canadá fue el primer
SIG en el mundo similar a tal y como los conocemos hoy en día, y un
considerable avance con respecto a las aplicaciones cartográficas existentes
hasta entonces, puesto que permitía superponer capas de información, realizar
mediciones y llevar a cabo digitalizaciones y escaneos de datos. Asimismo,
soportaba un sistema nacional de coordenadas que abarcaba todo el continente,
una codificación de líneas en "arcos" que poseían una verdadera
topológica integrada y que almacenaba los atributos de cada elemento y la
información sobre su localización en archivos separados. Como consecuencia de
esto, Tomlinson está considerado como "el padre de los SIG", en
particular por el empleo de información geográfica convergente estructurada en
capas, lo que facilita su análisis espacial.7 El CGIS estuvo operativo hasta la
década de los 90 llegando a ser la base de datos sobre recursos del territorio
más grande de Canadá. Fue desarrollado como un sistema basado en una
computadora central y su fortaleza radicaba en que permitía realizar análisis
complejos de conjuntos de datos que abarcaban todo el continente. El software,
decano de los sistemas de información geográfica, nunca estuvo disponible de
manera comercial.
En 1964, Howard T. Fisher formó en la Universidad de Harvard
el Laboratorio de Computación Gráfica y Análisis Espacial en la Harvard
Graduate School of Design (LCGSA 1965-1991), donde se desarrollaron una serie
de importantes conceptos teóricos en el manejo de datos espaciales, y en la
década de 1970 había difundido código de software y sistemas germinales, tales
como SYMAP, GRID y ODYSSEY - los cuales sirvieron como fuentes de inspiración
conceptual para su posterior desarrollos comerciales - a universidades, centros
de investigación y empresas de todo el mundo.8
En la década de los 80, M&S Computing (más tarde
Intergraph), Environmental Systems Research Institute (ESRI) y CARIS (Computer
Aided Resource Information System) emergerían como proveedores comerciales de
software SIG. Incorporaron con éxito muchas de las características de CGIS,
combinando el enfoque de primera generación de sistemas de información
geográfica relativo a la separación de la información espacial y los atributos
de los elementos geográficos representados con un enfoque de segunda generación
que organiza y estructura estos atributos en bases de datos.
En la década de los años 70 y principios de los 80 se inició
en paralelo el desarrollo de dos sistemas de dominio público. El proyecto Map
Overlay and Statistical System (MOSS) se inició en 1977 en Fort Collins
(Colorado, EE. UU.) bajo los auspicios de la Western Energy and Land Use Team
(WELUT) y el Servicio de Pesca y Vida Silvestre de Estados Unidos (US Fish and
Wildlife Service). En 1982 el Cuerpo de Ingenieros del Laboratorio de
Investigación de Ingeniería de la Construcción del Ejército de los Estados
Unidos (USA-CERL) desarrolla GRASS como herramienta para la supervisión y
gestión medioambiental de los territorios bajo administración del Departamento
de Defensa.
Esta etapa de desarrollo está caracterizada, en general, por
la disminución de la importancia de las iniciativas individuales y un aumento
de los intereses a nivel corporativo, especialmente por parte de las instancias
gubernamentales y de la administración.
Los 80 y 90 fueron años de fuerte aumento de las empresas
que comercializaban estos sistemas, debido el crecimiento de los SIG en
estaciones de trabajo UNIX y ordenadores personales. Es el periodo en el que se
ha venido a conocer en los SIG como la fase comercial. El interés de las
distintas grandes industrias relacionadas directa o indirectamente con los SIG
crece en sobremanera debido a la gran avalancha de productos en el mercado
informático internacional que hicieron generalizarse a esta tecnología.
En la década de los noventa se inicia una etapa comercial
para profesionales, donde los sistemas de información geográfica empezaron a
difundirse al nivel del usuario doméstico debido a la generalización de los
ordenadores personales o microordenadores.
A finales del siglo XX principio del XXI el rápido
crecimiento en los diferentes sistemas se ha consolidado, restringiéndose a un
número relativamente reducido de plataformas. Los usuarios están comenzando a
exportar el concepto de visualización de datos SIG a Internet, lo que requiere
una estandarización de formato de los datos y de normas de transferencia. Más
recientemente, ha habido una expansión en el número de desarrollos de software
SIG de código libre, los cuales, a diferencia del software comercial, suelen
abarcar una gama más amplia de sistemas operativos, permitiendo ser modificados
para llevar a cabo tareas específicas.
Técnicas utilizadas en los sistemas de información
geográfica
La creación de datos
La teledetección es una de las principales fuentes de datos
para los SIG. En la imagen artística una representación de la constelación de
satélites RapidEye.
Las modernas tecnologías SIG trabajan con información
digital, para la cual existen varios métodos utilizados en la creación de datos
digitales. El método más utilizado es la digitalización, donde a partir de un
mapa impreso o con información tomada en campo se transfiere a un medio digital
por el empleo de un programa de Diseño Asistido por Ordenador (DAO o CAD) con
capacidades de georreferenciación.
Dada la amplia disponibilidad de imágenes orto-rectificadas
(tanto de satélite y como aéreas), la digitalización por esta vía se está
convirtiendo en la principal fuente de extracción de datos geográficos. Esta
forma de digitalización implica la búsqueda de datos geográficos directamente
en las imágenes aéreas en lugar del método tradicional de la localización de
formas geográficas sobre un tablero de digitalización.
La representación de los datos
Los datos SIG representan los objetos del mundo real
(carreteras, el uso del suelo, altitudes). Los objetos del mundo real se pueden
dividir en dos abstracciones: objetos discretos (una casa) y continuos
(cantidad de lluvia caída, una elevación). Existen dos formas de almacenar los
datos en un SIG: raster y vectorial.
Los SIG que se centran en el manejo de datos en formato
vectorial son más populares en el mercado. No obstante, los SIG raster son muy
utilizados en estudios que requieran la generación de capas continuas,
necesarias en fenómenos no discretos; también en estudios medioambientales
donde no se requiere una excesiva precisión espacial (contaminación
atmosférica, distribución de temperaturas, localización de especies marinas,
análisis geológicos, etc.).
Raster
Un tipo de datos raster es, en esencia, cualquier tipo de
imagen digital representada en mallas. El modelo de SIG raster o de retícula se
centra en las propiedades del espacio más que en la precisión de la
localización. Divide el espacio en celdas regulares donde cada una de ellas
representa un único valor. Se trata de un modelo de datos muy adecuado para la
representación de variables continuas en el espacio.
Cualquiera que esté familiarizado con la fotografía digital
reconoce el píxel como la unidad menor de información de una imagen. Una
combinación de estos píxeles creará una imagen, a distinción del uso común de
gráficos vectoriales escalables que son la base del modelo vectorial. Si bien
una imagen digital se refiere a la salida como una representación de la realidad,
en una fotografía o el arte transferidos a la computadora, el tipo de datos
raster reflejará una abstracción de la realidad. Las fotografías aéreas son una
forma de datos raster utilizada comúnmente con un sólo propósito: mostrar una
imagen detallada de un mapa base sobre la que se realizarán labores de
digitalización. Otros conjuntos de datos raster podrán contener información
referente a las elevaciones del terreno (un Modelo Digital del Terreno), o de
la reflexión de la luz de una particular longitud de onda (por ejemplo las
obtenidas por el satélite LandSat), entre otros.
Los datos raster se compone de filas y columnas de celdas,
cada celda almacena un valor único. Los datos raster pueden ser imágenes
(imágenes raster), con un valor de color en cada celda (o píxel). Otros valores
registrados para cada celda puede ser un valor discreto, como el uso del suelo,
valores continuos, como temperaturas, o un valor nulo si no se dispone de
datos. Si bien una trama de celdas almacena un valor único, estas pueden
ampliarse mediante el uso de las bandas del raster para representar los colores
RGB (rojo, verde, azul), o una tabla extendida de atributos con una fila para
cada valor único de células. La resolución del conjunto de datos raster es el
ancho de la celda en unidades sobre el terreno.
Los datos raster se almacenan en diferentes formatos, desde
un archivo estándar basado en la estructura de TIFF, JPEG, etc. a grandes
objetos binarios (BLOB), los datos almacenados directamente en Sistema de
gestión de base de datos. El almacenamiento en bases de datos, cuando se
indexan, por lo general permiten una rápida recuperación de los datos raster,
pero a costa de requerir el almacenamiento de millones registros con un
importante tamaño de memoria. En un modelo raster cuanto mayores sean las
dimensiones de las celdas menor es la precisión o detalle (resolución) de la
representación del espacio geográfico.
Vectorial
En un SIG, las características geográficas se expresan con
frecuencia como vectores, manteniendo las características geométricas de las
figuras.
Representación de curvas de nivel sobre una superficie
tridimensional generada por una malla TIN.
En los datos vectoriales, el interés de las representaciones
se centra en la precisión de la localización de los elementos geográficos sobre
el espacio y donde los fenómenos a representar son discretos, es decir, de
límites definidos. Cada una de estas geometrías está vinculada a una fila en
una base de datos que describe sus atributos. Por ejemplo, una base de datos
que describe los lagos puede contener datos sobre la batimetría de estos, la
calidad del agua o el nivel de contaminación. Esta información puede ser
utilizada para crear un mapa que describa un atributo particular contenido en
la base de datos. Los lagos pueden tener un rango de colores en función del
nivel de contaminación. Además, las diferentes geometrías de los elementos
también pueden ser comparadas. Así, por ejemplo, el SIG puede ser usado para
identificar aquellos pozos (geometría de puntos) que están en torno a 2
kilómetros de un lago (geometría de polígonos) y que tienen un alto nivel de
contaminación.
Dimensión espacial de los datos en un SIG.
Los elementos vectoriales pueden crearse respetando una
integridad territorial a través de la aplicación de unas normas topológicas
tales como que "los polígonos no deben superponerse". Los datos
vectoriales se pueden utilizar para representar variaciones continuas de
fenómenos. Las líneas de contorno y las redes irregulares de triángulos (TIN)
se utilizan para representar la altitud u otros valores en continua evolución.
Los TIN son registros de valores en un punto localizado, que están conectados
por líneas para formar una malla irregular de triángulos. La cara de los
triángulos representan, por ejemplo, la superficie del terreno.
Para modelar digitalmente las entidades del mundo real se
utilizan tres elementos geométricos: el punto, la línea y el polígono.9
• Puntos
Los puntos se utilizan para las entidades geográficas que
mejor pueden ser expresadas por un único punto de referencia. En otras
palabras: la simple ubicación. Por ejemplo, las localizaciones de los pozos,
picos de elevaciones o puntos de interés. Los puntos transmiten la menor
cantidad de información de estos tipos de archivo y no son posibles las
mediciones. También se pueden utilizar para representar zonas a una escala
pequeña. Por ejemplo, las ciudades en un mapa del mundo estarán representadas
por puntos en lugar de polígonos.
• Líneas o
polilíneas
Las líneas unidimensionales o polilíneas10 son usadas para
rasgos lineales como ríos, caminos, ferrocarriles, rastros, líneas topográficas
o curvas de nivel. De igual forma que en las entidades puntuales, en pequeñas
escalas pueden ser utilizados para representar polígonos. En los elementos
lineales puede medirse la distancia.
• Polígonos
Los polígonos bidimensionales se utilizan para representar
elementos geográficos que cubren un área particular de la superficie de la
tierra. Estas entidades pueden representar lagos, límites de parques naturales,
edificios, provincias, o los usos del suelo, por ejemplo. Los polígonos
transmiten la mayor cantidad de información en archivos con datos vectoriales y
en ellos se pueden medir el perímetro y el área.
Ventajas y desventajas de los modelos raster y vectorial
Ventajas
Vectorial
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Raster
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La
estructura de los datos es compacta. Almacena los datos sólo de los elementos
digitalizados por lo que requiere menos memoria para su almacenamiento y
tratamiento.
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La
estructura de los datos es muy simple.
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Codificación
eficiente de la topología y las operaciones espaciales.
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Las
operaciones de superposición son muy sencillas.
|
Buena
salida gráfica. Los elementos son representados como gráficos vectoriales que
no pierden definición si se amplía la escala de visualización.
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Formato
óptimo para variaciones altas de datos.
|
Tienen
una mayor compatibilidad con entornos de bases de datos relacionales.
|
Buen
almacenamiento de imágenes digitales
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Las
operaciones de re-escalado, reproyección son más fáciles de ejecutar.
|
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Los
datos son más fáciles de mantener y actualizar.
|
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En
algunos aspectos permite una mayor capacidad de análisis, sobre todo en
redes.
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Desventajas
Vectorial
|
Raster
|
La
estructura de los datos es más compleja.
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Mayor
requerimiento de memoria de almacenamiento. Todas las celdas contienen datos.
|
Las
operaciones de superposición son más difíciles de implementar y representar.
|
Las
reglas topológicas son más difíciles de generar.
|
Eficacia
reducida cuando la variación de datos es alta.
|
Las
salidas gráficas son menos vistosas y estéticas. Dependiendo de la resolución
del archivo raster, los elementos pueden tener sus límites originales más o
menos definidos.
|
Es un
formato más laborioso de mantener actualizado.
|
Datos no espaciales
Los datos no espaciales también pueden ser almacenados junto
con los datos espaciales, aquellos representados por las coordenadas de la
geometría de un vector o por la posición de una celda raster. En los datos
vectoriales, los datos adicionales contiene atributos de la entidad geográfica.
Por ejemplo, un polígono de un inventario forestal también puede tener un valor
que funcione como identificador e información sobre especies de árboles. En los
datos raster el valor de la celda puede almacenar la información de atributo,
pero también puede ser utilizado como un identificador referido a los registros
de una tabla.
La captura de los datos
Con un par de fotografías aéreas tomadas en dos puntos
desplazados, como las de la imagen, se consigue realizar la estereoscopía.
Mediante este paralaje se crea una ilusión de profundidad que permite al
observador reconocer información visual tridimensional como las elevaciones y
pendientes del área fotografiada.
La captura de datos, y la introducción de información en el sistema
consume la mayor parte del tiempo de los profesionales de los SIG. Hay una
amplia variedad de métodos utilizados para introducir datos en un SIG
almacenados en un formato digital.
Los datos impresos en papel o mapas en película PET pueden
ser digitalizados o escaneados para producir datos digitales.
Con la digitalización de cartografía en soporte analógico se
producen datos vectoriales a través de trazas de puntos, líneas, y límites de
polígonos. Este trabajo puede ser desarrollado por una persona de forma manual
o a través de programas de vectorización que automatizan la labor sobre un mapa
escaneado. No obstante, en este último caso siempre será necesario su revisión
y edición manual, dependiendo del nivel de calidad que se desea obtener.
Los datos obtenidos de mediciones topográficas pueden ser
introducidos directamente en un SIG a través de instrumentos de captura de
datos digitales mediante una técnica llamada geometría analítica. Además, las
coordenadas de posición tomadas a través un Sistema de Posicionamiento Global
(GPS) también pueden ser introducidas directamente en un SIG.
Los sensores remotos también juegan un papel importante en
la recolección de datos. Son sensores, como cámaras, escáneres o LIDAR
acoplados a plataformas móviles como aviones o satélites.
Actualmente, la mayoría de datos digitales provienen de la
interpretación de fotografías aéreas. Para ello se utilizan estaciones de
trabajo que digitalizan directamente elementos geográficos a través de pares
estereoscópicos de fotografías digitales. Estos sistemas permiten capturar
datos en dos y tres dimensiones, con elevaciones medidas directamente de un par
estereoscópico de acuerdo a los principios de la fotogrametría.
Errores topológicos y de digitalización en los sistemas de
información geográfica (SIG).
La teleobservación por satélite proporciona otra fuente
importante de datos espaciales. En este caso los satélites utilizan diferentes
sensores para medir la reflectancia de las partes del espectro
electromagnético, o las ondas de radio que se envían a partir de un sensor
activo como el radar. La teledetección recopila datos raster que pueden ser
procesados usando diferentes bandas para determinar las clases y objetos de
interés, tales como las diferentes cubiertas de la tierra.
Cuando se capturan los datos, el usuario debe considerar si
estos deben ser tomados con una exactitud relativa o con una absoluta
precisión. Esta decisión es importante ya que no solo influye en la
interpretación de la información, sino también en el costo de su captura.
Además de la captura y la entrada en datos espaciales, los
datos de atributos también son introducidos en un SIG. Durante los procesos de
digitalización de la cartografía es frecuente que se den fallos topológicos
involuntarios (dangles, undershoots, overshoots, switchbacks, knots, loops,
etc.) en los datos vectoriales y que deberán ser corregidos. Tras introducir
los datos en un SIG, estos normalmente requerirán de una edición o procesado
posterior para eliminar los errores citados. Se deberá de hacer una
"corrección topológica" antes de que puedan ser utilizados en algunos
análisis avanzados y, así por ejemplo, en una red de carreteras las líneas
deberán estar conectadas con nodos en las intersecciones.
En el caso de mapas escaneados, quizás sea necesario
eliminar la trama resultante generada por el proceso de digitalización del mapa
original. Así, por ejemplo, una mancha de suciedad podría unir dos líneas que
no deberían estar conectadas.
Conversión de datos raster-vectorial
Los SIG pueden llevar a cabo una reestructuración de los
datos para transformarlos en diferentes formatos. Por ejemplo, es posible
convertir una imagen de satélite a un mapa de elementos vectoriales mediante la
generación de líneas en torno a celdas con una misma clasificación determinando
la relación espacial de estas, tales como proximidad o inclusión.
La vectorización no asistida de imágenes raster mediante
algoritmos avanzados es una técnica que se viene desarrollado desde finales de
los años 60 del siglo XX. Para ello se recurre a la mejora del contraste,
imágenes en falso color así como el diseño de filtros mediante la
implementación de transformadas de Fourier en dos dimensiones.
Al proceso inverso de conversión de datos vectorial a una
estructura de datos basada en un matriz raster se le denomina rasterización.
Dado que los datos digitales se recogen y se almacenan en
ambas formas, vectorial y raster, un SIG debe ser capaz de convertir los datos
geográficos de una estructura de almacenamiento a otra.
Proyecciones, sistemas de coordenadas y reproyección
Antes de analizar los datos en el SIG la cartografía debe
estar toda ella en una misma proyección y sistemas de coordenadas. Para ello
muchas veces es necesario reproyectar las capas de información antes de
integrarlas en el sistema de información geográfica.
La Tierra puede estar representada cartográficamente por
varios modelos matemáticos, cada uno de los cuales pueden proporcionar un
conjunto diferente de coordenadas (por ejemplo, latitud, longitud, altitud)
para cualquier punto dado de su superficie. El modelo más simple es asumir que
la Tierra es una esfera perfecta. A medida que se han ido acumulando más
mediciones del planeta los modelos del geoide se han vuelto más sofisticados y
más precisos. De hecho, algunos de estos se aplican a diferentes regiones de la
Tierra para proporcionar una mayor precisión (por ejemplo, el European
Terrestrial Reference System 1989 - ETRS89 – funciona bien en Europa pero no en
América del Norte).
La proyección es un componente fundamental a la hora de
crear un mapa. Una proyección matemática es la manera de transferir información
desde un modelo de la Tierra, el cual representa una superficie curva en tres
dimensiones, a otro de dos dimensiones como es el papel o la pantalla de un ordenador.
Para ello se utilizan diferentes proyecciones cartográficas según el tipo de
mapa que se desea crear, ya que existen determinadas proyecciones que se
adaptan mejor a unos usos concretos que a otros. Por ejemplo, una proyección
que representa con exactitud la forma de los continentes distorsiona, por el
contrario, sus tamaños relativos.
Dado que gran parte de la información en un SIG proviene de
cartografía ya existente, un sistema de información geográfica utiliza la
potencia de procesamiento de la computadora para transformar la información
digital, obtenida de fuentes con diferentes proyecciones y/o diferentes
sistemas de coordenadas, a una proyección y sistema de coordenadas común. En el
caso de las imágenes (ortofotos, imágenes de satélite, etc.) este proceso se
denomina rectificación.
Análisis espacial mediante SIG
Ejemplo de un proceso llevado a cabo en un SIG vectorial
para la obtención de ejes de calles mediante el uso de polígonos de Thiessen.
Dada la amplia gama de técnicas de análisis espacial que se
han desarrollado durante el último medio siglo, cualquier resumen o revisión
sólo puede cubrir el tema a una profundidad limitada. Este es un campo que
cambia rápidamente y los paquetes de software SIG incluyen cada vez más
herramientas de análisis, ya sea en las versiones estándar o como extensiones
opcionales de este. En muchos casos tales herramientas son proporcionadas por
los proveedores del software original, mientras que en otros casos las implementaciones
de estas nuevas funcionalidades se han desarrollado y son proporcionados por
terceros. Además, muchos productos ofrecen kits de desarrollo de software
(SDK), lenguajes de programación, lenguajes de scripting, etc. para el
desarrollo de herramientas propias de análisis u otras funciones.
Modelo topológico
Artículo principal: Topología geoespacial
Desde la elaboración del mapa del Metro de Londres estos se
han convertido en el paradigma de los mapas topológicos para ilustrar una red.
En la imagen el plano de metro de la red de Madrid.
Un SIG puede reconocer y analizar las relaciones espaciales
que existen en la información geográfica almacenada. Estas relaciones
topológicas permiten realizar modelizaciones y análisis espaciales complejos.
Así, por ejemplo, el SIG puede discernir la parcela o parcelas catastrales que
son atravesadas por una línea de alta tensión, o bien saber qué agrupación de
líneas forman una determinada carretera.
En suma podemos decir que en el ámbito de los sistemas de
información geográfica se entiende como topología a las relaciones espaciales
entre los diferentes elementos gráficos (topología de nodo/punto, topología de
red/arco/línea, topología de polígono) y su posición en el mapa (proximidad,
inclusión, conectividad y vecindad). Estas relaciones, que para el ser humano
pueden ser obvias a simple vista, el software las debe establecer mediante un
lenguaje y unas reglas de geometría matemática.
Para llevar a cabo análisis en los que es necesario que
exista consistencia topológica de los elementos de la base de datos suele ser
necesario realizar previamente una validación y corrección topológica de la
información gráfica. Para ello existen herramientas en los SIG que facilitan la
rectificación de errores comunes de manera automática o semiautomática.
Redes
Cálculo de una ruta óptima para vehículos entre un punto de
origen (en verde) y un punto de destino (en rojo) a partir de datos del
proyecto OpenStreetMap.
Un SIG destinado al cálculo de rutas óptimas para servicios
de emergencias es capaz de determinar el camino más corto entre dos puntos
teniendo en cuenta tanto direcciones y sentidos de circulación como direcciones
prohibidas, etc. evitando áreas impracticables. Un SIG para la gerencia de una
red de abastecimiento de aguas sería capaz de determinar, por ejemplo, a
cuantos abonados afectaría el corte del servicio en un determinado punto de la
red.
Un sistema de información geográfica puede simular flujos a
lo largo de una red lineal. Valores como la pendiente, el límite de velocidad,
niveles de servicio, etc. pueden ser incorporados al modelo con el fin de
obtener una mayor precisión. El uso de SIG para el modelado de redes suele ser
comúnmente empleado en la planificación del transporte, hidrológica o la
gestión de infraestructura lineales.
Superposición de mapas
La combinación de varios conjuntos de datos espaciales
(puntos, líneas o polígonos) puede crear otro nuevo conjunto de datos
vectoriales. Visualmente sería similar al apilamiento de varios mapas de una
misma región. Estas superposiciones son similares a las superposiciones
matemáticas del diagrama de Venn. Una unión de capas superpuestas combina las
características geográficas y las tablas de atributos de todas ellas en una
nueva capa. En el caso de realizar una intersección de capas esta definiría la
zona en las que ambas se superponen, y el resultado mantiene el conjunto de
atributos para cada una de las regiones. En el caso de una superposición de
diferencia simétrica se define un área resultante que incluye la superficie
total de ambas capas a excepción de la zona de intersección.
En el análisis de datos raster, la superposición de conjunto
de datos se lleva a cabo mediante un proceso conocido como álgebra de mapas, a
través de la aplicación de métodos matemáticos simples que permiten combinar
los valores de cada matriz raster. En el álgebra de mapas es posible ponderar
determinadas coberturas que asignen el grado de importancia de diversos
factores en un fenómeno geográfico.
Cartografía automatizada
Precisión y generalización de un mapa en función de su
escala.
Tanto la cartografía digital como los sistemas de
información geográfica codifican relaciones espaciales en representaciones
formales estructuradas. Los SIG son usados en la creación de cartografía digital
como herramientas que permiten realizar un proceso automatizado o
semiautomatizado de elaboración de mapas denominado cartografía automatizada.
En la práctica esto sería un subconjunto de los SIG que
equivaldría a la fase de composición final del mapa, dado que en la mayoría de
los casos no todos los software de sistemas de información geográfica poseen
esta funcionalidad.
El producto cartográfico final resultante puede estar tanto
en formato digital como impreso. El uso conjunto que en determinados SIG se da
de potentes técnicas de análisis espacial junto con una representación
cartográfica profesional de los datos, hace que se puedan crear mapas de alta
calidad en un corto período. La principal dificultad en cartografía
automatizada es el utilizar un único conjunto de datos para producir varios
productos según diferentes tipos de escalas, una técnica conocida como
generalización.
Geoestadística
Modelo de relieve sombreado generado por interpolación a
partir de un Modelo Digital de Elevaciones (MDE) de una zona de los Apeninos
(Italia)
La geoestadística analiza patrones espaciales con el fin de
conseguir predicciones a partir de datos espaciales concretos. Es una forma de
ver las propiedades estadísticas de los datos espaciales. A diferencia de las
aplicaciones estadísticas comunes, en la geoestadística se emplea el uso de la
teoría de grafos y de matrices algebraicas para reducir el número de parámetros
en los datos. Tras ello, el análisis de los datos asociados a entidad
geográfica se llevaría a cabo en segundo lugar.
Cuando se miden los fenómenos, los métodos de observación
dictan la exactitud de cualquier análisis posterior. Debido a la naturaleza de
los datos (por ejemplo, los patrones de tráfico en un entorno urbano, las
pautas meteorológicas en el océano, etc.), grado de precisión constante o
dinámico se pierde siempre en la medición. Esta pérdida de precisión se
determina a partir de la escala y la distribución de los datos recogidos. Los
SIG disponen de herramientas que ayudan a realizar estos análisis, destacando
la generación de modelos de interpolación espacial.
Geocodificación
Artículo principal: Geocodificación
Geocodificación mediante SIG. Por un lado existen unos
números de policía conocidos y por otro líneas discontinuas entre esos números
de portal presupuestos, las cuales representan los tramos en los cuales se
aplica el método de interpolación.
Geocodificación es el proceso de asignar coordenadas
geográficas (latitud-longitud) a puntos del mapa (direcciones, puntos de
interés, etc.). Uno de los usos más comunes es la georreferenciación de
direcciones postales. Para ello se requiere una cartografía base sobre la que
referenciar los códigos geográficos. Esta capa base puede ser, por ejemplo, un
tramero de ejes de calles con nombres de calles y números de policía. Las
direcciones concretas que se desean georreferenciar en el mapa, que suelen
proceder de tablas tabuladas, se posicionan mediante interpolación o
estimación. El SIG a continuación localiza en la capa de ejes de calles el
punto en el lugar más aproximado a la realidad según los algoritmos de
geocodificación que utiliza.
La geocodificación puede realizarse también con datos reales
más precisos (por ejemplo, cartografía catastral). En este caso el resultado de
la codificación geográfica se ajustará en mayor medida a la realizada,
prevaleciendo sobre el método de interpolación.
En el caso de la geocodificación inversa el proceso sería al
revés. Se asignaría una dirección de calle estimada con su número de portal a
unas coordenadas x,y determinadas. Por ejemplo, un usuario podría hacer clic
sobre una capa que representa los ejes de vía de una ciudad y obtendría la
información sobre la dirección postal con el número de policía de un edificio.
Este número de portal es calculado de forma estimada por el SIG mediante
interpolación a partir de unos números ya presupuestos. Si el usuario hace clic
en el punto medio de un segmento que comienza en el portal 1 y termina con el
100, el valor devuelto para el lugar seleccionado será próximo al 50. Hay que
tener en cuenta que la geocodificación inversa no devuelve las direcciones
reales, sino sólo estimaciones de lo que debería existir basándose en datos ya
conocidos.